什么是宇称守恒与宇称不守恒

所谓“宇称”，粗略的说，可理解为“左右对称”或“左右交换”，按照这个解释，所谓“宇称不变性”就是“左右交换不变”。或者“镜象与原物对称”。对称的现象普遍存在于自然界的事物中，事物运动变化的规律左右对称也是人们的普遍认识。在物理学中，对称性具有更为深刻的含义，指的是物理规律在某种变换下的不变性。在相当长的一段时间内，物理学家们相信，所有自然规律在这样的镜象反演下都保持不变。例如进行牛顿运动定律实验时，前面放一面镜子，如果我们看镜内的物理规律性，则同镜外完全相同。比如一个小球A向右运动，我们在镜内看到有一个小球A′ 向左运动，虽然A′与A运动方向相反，但它们都遵从的规律，也就是说力学规律对于镜象反演不变，具有空间反演不变性。同样对于麦克斯韦方程组和薛定谔方程都具有空间反演不变性。 不变性原理通常与守恒定律联系在一起，比如动量守恒定律是物理定律在空间平移下的不变性的体现；能量守恒定律与时间平移不变性相联系；角动量守恒定律是物理定律空间旋转对称性的体现等。在微观世界中微观粒子的状态用波函数ψ描写 即表示波函数的数值随坐标而变。为了描述这种与空间反演对称性相联系的物理量，引入了“宇称”的概念。因为连续两空间反演（镜象反射）就等于本身，第一次反射，第二次反射。因此宇称这个量同能量、动量等连续变化的物理量不同，它只能取两个分立的值（+1）或（-1），也就是说波函数在镜象对称时有两种可能： 。 第一种情形宇称为正（+1），第二种情形宇称为负（-1），对于一个多粒子系统来说，此系统的总宇称为各该系统粒子的宇称之乘积。 有了以上概念后，根据左右对称性就可引伸出“宇称守恒定律”，表述如下：由许多粒子组成的体系，不论经过相互作用发生什么变化（包括可能会使粒子数发生变化），它的总宇称保持不变，则原来为正，相互作用后仍为正；原来为负，相互作用后仍为负。这一定律对于许多情况都是正确的，象强相互作用和电磁相互作用就是如此。因而便认为对于弱相互作用也不言而喻，同样如此。 弱相互作用下的宇称守恒的这一看法一直维持了三十年。但在1954~1956年间人们在粒子物理研究中遇到了一个难题，即所谓的“τ-θ之谜”，就是荷电的κ介子有两种衰变方式，一种记为τ介子，一种记为θ介子。这两种粒子的质量、电荷、寿命、自旋等几乎完全相同，以致于人们不能不怀疑它们是同一粒子。然而另一方面，它们的衰变情形却不相同，表现为宇称不相同，当τ粒子衰变时，产生三个π介子，它们的宇称为负（根椐已确定了的π介子的宇称为-1和宇称守恒定律），而θ粒子衰变时产生两个π介子，它们的宇称为正，也就是说，τ粒子与θ粒子衰变时具有完全相反的宇称。 如何解释这个现象？可供选择的答案只有两种：一种承认宇称守恒定律，则τ粒子与θ粒子是两种不同的粒子，因为它们的宇称不同，相互作用过程宇称应不变，但无法解释为什么θ、τ粒子性质如此相同。另一种确认τ和θ是同一种粒，则宇称守恒定律不成立。 1956年李政道、杨振宁在研究这个问题时，仔细地分析了关于宇称守恒的各种实验资料，发现至少在弱相互作用领域，宇称守恒定律从未得到过实验的验证，而只不过是一个理论上的推论而已。因此根据“τ-θ之谜”的启示，他们提出在弱相互作用过程前后，宇称可能不守恒，并且还指出可以用β衰变（也是一种弱相互作用）的实验来证实或否定他们的推测。人们对于弱作用的研究已经有了相当长的历史，从发现β放射性算起，已经历了半个多世纪;即使从费米提出β衰变理论算起，也已有二十多个年头。在这漫长岁月中，人们对于弱作用，尤其对于β衰变，已经作过大量实验，然而却没有一个实验曾经证明过宇称是否守恒。这是因为左右对称性从未有人怀疑过，人们一直相信它，应用它，从未想去检验它。当然，要怀疑这样一条基本定律，必须持非常慎重的严肃态度，李政道和杨振宁正是在彻底研究了所有已经作过的弱作用实验，并发现还没有一个实验曾证明过宇称是否守恒后，才提出弱作用中宇称可能不守恒的猜测。 但是，毕竟左右对称原理太明显，太自然了，以致人们很难相信宇称真的会守恒。著名物理学家泡利就曾俏皮地说过：“我就不相信上帝竟然会是一个左撇子?”究竟宇称是否守恒，只有让实验来作出判断，为此，李政道和杨振宁设计了一系列可用来检验宇称是否守恒的实验方案，设计的原则 是要安排两套实验装置，它们严格地互为镜象，然后在这两套装置中观测弱作用过程，看看两套装置中出现的是不是互为镜象的现象。 几个月之后，以上设想被另一位美籍华裔物理学家吴健雄教授与美国华盛顿国家标准局的几位物理工作者一起用出色的实验所证实，这是一个关于极化60CO原子核β蜕变的实验。在这个实验中，他们以确凿无疑的证据表明，在弱相互作用过程中宇称守恒定律不成立，弱相互作用下宇称不守恒的发现和实验验证，可以说是第二次世界大战以来最伟大的发现。正是由于这一震惊物理学界的杰出贡献，李政道和杨振宁共同获得了1957年诺贝尔物理奖，这时距他们发表宇称不守恒的研究成果还不到两年，速度之快在诺贝尔奖金史上是罕见的。 这是很了不起的贡献，虽然杨先生的人品一般，但他绝对是二十世纪最好的科学家之一。